Efficienza energetica nell'industria: il ruolo delle tecnologie di automazione Ing. Sabina Cristini Presidente Gruppo Meccatronica di ANIE Automazione Industrial Technology Efficiency Day 10/12/2013 Fiera Milano Media

Che cosa si deve fare per vincere la sfida sull’energia? Consapevolezza Consapevolezza energetica si ottiene con il coinvolgimento delle persone per fare le migliori scelte nella gestione energetica. Deve coinvolgere tutta l’organizzazione per ottenere una riduzione dei costi operativi (OPEX). Efficienza Energetica fornisce nuovi strumenti per gestire i costi operativi energetici e pianificare le modifiche migliorative degli asset. Questo permette un miglioramento della produttività e della competitività. Trasparenza Efficienza Eccellenza nell’Energy Management Nella gestione energetica non è possibile gestire quello che non si misura. La Trasparenza Energetica crea la conoscenza per identificare nuovo valore nell’attività manifatturiera.

Rendere efficiente l’intera filiera dell’energia Forniture energetiche Acquisti Produzione in sito Trasformazione dell’energia Compressori CHP Chillers Distribuzione dell’energia Aria compressa Vapore Acqua fredda Consumo dell’energia Processo Sistemi ausiliari Macchine di produzione

I driver per investire in efficienza energetica Energy price Standard Energy Efficiency Investment Image Sia nelle nazioni industrializzate, sia nei paesi in via di sviluppo il tema dell’efficienza energetica acquisisce un interesse sempre maggiore.

Motivazione: energy label? Oggi l’efficienza energetica gioca un ruolo chiave nelle decisioni di acquisto

Motivazione: specifiche chiare nell’automotive Riduzione di energia per unità: obiettivo generale MBC. Consumi in modalità standby Energia è consumata durante le fermate (weekend, notte, …) Esempio: Impianto power train fase produzione 45 MW / no produzione >10 MW!!! >20,000 MWh per 2,000 ore fermo > EUR 1,100,000 costi energetici (EUR 55 / MWh) Tecnologia di impianto deve ridurre la sua quota. Incremento produttività energetica: minori consumi per veicolo prodotto

Motivazione: Direttiva EuP per macchine utensili “Energy-using Products” (EuP) Sviluppo di macchine utensili e componenti, che garantiscano le stesse prestazioni, ma in modo più efficiente. Iniziativa dall’industria VDW come portavoce di CECIMO Elevazione dell’iniziativa Europea ad uno standard internazionale Trasferire il concetto di autoregolamentazione in un processo di standardizzazione internazionale (subcommittee ISO TC 39, Machine Tools)

Life cycle di una macchina 5% 4% Assessment del potenziale per incrementare la produttività 5% Cost drivers & KPIs Una percentuale del TCO, non insignificante, risulta dai costi di gestione della macchina, includendo anche i costi energetici. Sfida dei costruttori: basare il design di macchine e processi non solo su criteri di efficienza e produttività, ma anche sul raggiungimenti di questi obiettivi ai minimi livelli di consumo energetico. 17% 34% 15% 20% Source: PTW Darmstadt E’ necessaria una verifica individuale per macchina e tecnologia.

Motore elettrico: lifecycle cost 96,8% 98,7% 99,0% 0,9% 0,1% 0,2% 2,3% 1,1% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1,5 kW 15 kW 110 kW Potenza Costi del ciclo di vita Costo energia Costi installazione e manutenzione Prezzo acquisto Il costo energetico è fondamentale Il costo energetico arriva al 99% del costo del ciclo di vita Nella scelta del motore il primo driver deve essere l’efficienza Il costo addizionale di un motore ad alta efficienza si ripaga in qualche mese Vita utile motore: 1,5 kW: 12 a 15 kW: 15 a 110 kW: 20 a

I motori elettrici rappresentano la maggior parte dei consumi energetici dell’industria I consumi dei motori elettrici rappresentano  70% dei consumi industriali La maggior parte dei motori ha bassa efficienza, è sovradimensionata e non è regolata Altre applicazioni: mixer, conveyer, … 32% Pompe 30% Electrical driven applications ~ 69% Aria compressa 10% Ventilatore 14% Frigoriferi 14% Source: Fraunhofer Institut System

400V Cabinet Bus – Power Input Analisi di dettaglio Active Power Consumption at Cabinet Input Process Mean active Power Consumption (10 Min. time frame) Machining with Cooling and Lubricants Machining without Cooling and Lubricants No Machining (Standby) Cabinet Bus Drive Supply DC 24V Cabinet general DRIVES Drive Systems General Cabinet Supply DC 24 V Bus Bar Drive Supply – with AC Connection 400V Cabinet Bus – Power Input >50% del carico base di macchina: unità ausiliarie (es. refrigeranti, pompe lubrificazione, trasporti, pneumatica, ecc.)

Miglioramento continuo Continuous Improvement Process 1 Automation components Development 2 3 Operations 4 Service Life Cycle of Machine Continuous Improvement Process Continuous Improvement Process Continuous Improvement Process Efficienza energetica per incrementare la produttività

Ottimizzare la gamma prodotti Per assi di lavorazione e unità ausiliarie Motori ad alta efficienza Inverter per controllo e regolazione della velocità Ottimizzazione sistema servoazionamenti Tool di configurazione a supporto della progettazione

Come migliorare Controllo Motore Meccanica Sistema Risparmi fino al 70% Risparmi fino al 10% Risparmi fino al 40% Ottimizzando simultaneamente il singolo drive ed il sistema all’interno del quale il drive è inserito è possibile risparmiare fino al 30% Valvola A vite IE1 Motor Frequency converter Controllo Con VSD Epicicloidale IE3 Motor

Recupero e scambio energia Power drain Energy compensation Energy recovery Riduzione dei picchi di domanda CM ALM Ridurre perturbazioni di sistema e perdite ALM Motor modules X Evitare perdite per dissipazione su resistenze

Dissipazione ottimizzata Internal air cooling External air cooling Direct water cooling Cold Plate 100% 20- 30% 70- 80% 20- 30% 20- 30% 70- 80% through water 70- 80% through water or convection Evitare perdite di dissipazione nell’ambiente.

Tools di progettazione Caratteristiche Opzioni trasversali su tutta la gamma: - dati e curve motori - selezione dei motori in base al sistema meccanico. - selezione di drive e controllo orientato all’applicazione. Calcolo della dissipazione e consumo energetico in base a profili specifici. Effetti: Prevenzione del sovradimensionamento. Valutazione del consumo energetico per diversi profili.

Sviluppo con approccio meccatronico B - Rotor Y - Carriage Opzioni: Comparazione tra sistemi di azionamento diversi Layout ottimizzato in termini energetici Simulazione dinamica per ottimizzare cicli Effetti: Sistema ottimizzato e minor consumo B - Axle - Enclosure Main spindle Stands A - Axles Bed Z1 - Axle X1 - Carriage Z2 - Axle X2 - Carriage

Rilevazione integrata in macchina Industrial Ethernet PROFIBUS DP Non-electric sensors Registrazione consumi energetici

Operation Visualizzazione consumi correnti di ogni macchina Obiettivo: sensibilizzare l’operatore Visualizzazione dei consumi potenza attiva e reattiva Attivazione/Disattivazione di compensazioni Inizializzazione di modalità Standby

Strategia di shut-down utilizzando i field bus PROFINET 24 V Power Modalità operative: 0 – Off/Power off 1 – Standby mode 2 – Production readiness 3 – Productive mode Il costruttore alloca i componenti per essere attivati per l’operation e definisce le condizioni base. Power section Application Communication Energy demand Operation Mode2 Power section ON Mode1 Processor ON Mode0 Power Off wake on LAN

Ottimizzazione della produzione attraverso la trasparenza dei costi energetici Spostamento delle produzioni più energivore in fascie di prezzo inferiore Spegnimento parziale delle utenze o riduzione della produzione con pause Monitoraggio continuo dei consumi e segnalazione anomalie Consumo energia. / Costi Qual è la distribuzione dell’energia? E quali sono i consumi nei tempi di pausa o chiusura? E/€ E/€ Pause t

Incrementare l’efficienza anche con retrofit di macchine esistenti Old: Higher energy consumption New: Lower energy consumption Opzioni: Concetti di Shut-down Installazione di azionamenti inverter. Condizione di base: Azioni di retrofit si ripagano in ca. 1.5 anni Esempio macchina Esempio macchina Source: Chiron Misure rapidamente implementabili su macchine esistenti

+ = Conclusioni Prodotti Servizi Risparmio energia : Motori Drive Engineering Tools Field bus : Rilevazione consumi Ottimizzazione design Analisi meccatronica Benefici: < dimensioni < peso installazione Tecnologia Safety integrata < costi installazione e service Recupero e bilancio energia < consumo energetico

Qual è il nostro posizionamento per trasformare questi cambiamenti in opportunità? Cosa succederebbe se potessi ….. trasformare i cambiamenti energetici e ambientali in un vantaggio competitivo? trasformare i costi operativi in miglioramento del profitto? implementare una politica di sostenibilità come aiuto nel business? usare a vantaggio del business le potenzialità di risparmio nascoste e le migliori tecnologie disponibili? Quanto stai facendo per trasformare la trasparenza dei consumi energetici in intelligence operativa? 25

Se non misuriamo, altri ci misurano … e questo produce costi! La mancanza di trasparenza energetica produce costi aggiuntivi 26 26

Grazie per l’attenzione